稀有金属材料.docx
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稀有金属材料
稀有金属材料
目录
一、稀有金属简介3
1、定义及用途3
2、国内资源现状4
3、稀有金属钨、钼、铼在国民经济中的重要作用5
3.1对国防军工领域的作用5
3.2对电子行业的作用5
3.3对核工业的作用6
3.4对医疗行业的作用6
3.5对加工工业的作用6
3.6对镀膜行业的作用6
4、稀有金属钨、钼、铼在重点领域及项目中的应用前景7
4.1半导体照明领域7
4.2核电领域8
4.3核聚变ITER项目9
二、稀有金属产业现状及产业规划10
1、硬质合金10
1.1产业现状及产业规划10
1.2国内外研究趋势11
1.3主要存在的问题12
2、钨钼大型制件13
2.1产业现状及产业规划13
（1）钨钼制件应用于LED衬底用单晶生长14
2.2国内外研究趋势15
2.3主要存在的问题15
3、大规格钼电极15
3.1产业现状及产业规划15
3.2、国内外发展趋势16
3.3、主要存在的问题16
4、钨钼大型板材16
4.1产业现状及产业规划16
4.2、国内外发展趋势17
4.3、主要存在的问题18
5、高纯铼及其合金制品18
5.1产业现状及产业规划18
5.2国内外研究趋势19
5.3主要存在的问题19
6、高纯金属靶材19
6.1产业现状及产业规划19
6.2国内外研究趋势20
6.3主要存在的问题22
三、主要问题及行业展望24
1、亟待解决的主要问题24
1.1高纯原料的制备24
1.2加工技术薄弱，缺少规格特大、形状特异产品生产能力24
1.3基础研究薄弱、高端新品种开发力度不够25
1.4整体生产加工水平低，技术落后25
2、行业展望25
2.1符合振兴新兴产业及国家中长期发展规划的要求25
2.2突破壁垒、解决生产中的重大技术问题26
2.3重视资源二次循环利用，利国利民26
一、稀有金属简介
1、定义及用途
稀有金属通常指在自然界中含量较少或分布稀散的金属。
这些金属尽管稀少，但在现代工业中有着重要的作用。
随着科学技术的高速发展，对材料提出了日益严格的要求。
由于稀有金属具有各种优良性能，在国民经济的各个方面及航天、能源、电子、化工等领域都越来越发挥着重要地作用。
表1稀有金属的分类
类别及数量
元素
特点
稀有轻金属
（共4个元素）
包括锂、铷、铯、铍。
比重较小，化学活性强。
稀有高熔点金属
（共9个元素）
包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨、铼。
熔点较高，与碳、氮、硅、硼等生成的化合物熔点也较高。
稀有分散性金属
（共6个元素）
包括镓、铟、铊、锗以及硒、碲。
稀有稀土金属
（共17个元素）
包括钪、钇及镧系元素。
化学性质非常相似，在矿物中相互伴生。
稀有放射性金属
（共19个元素）
包括天然存在的钫、镭、钋和锕系金属中的锕、钍、镤、铀，以及人工制造的锝、钷、锕系其他元素和104至107号元素。
稀有金属钛、钽、铌都同时具有耐高温高压、耐腐蚀等特点，因此在化学工业中广泛被用来制造在高温高压、强腐蚀条件下工作的化工设备。
用他们替代不锈钢能提高设备使用寿命10倍以上。
同时，许多稀有金属化合物成为化工过程中重要的催化剂，如钼铼化合物。
稀有放射性金属钍、铀是能源工业中重要的核原料；稀有高熔点金属锆，由于同时具备耐高温、耐腐蚀，热中子俘获面小等优良特性他，是原子反应堆不可缺少的结构材料；稀有高熔点金属铪，因其热中子俘获面大而用作反应堆的控制棒。
在电子行业中，高纯度稀有金属锗是重要的半导体材料之一，钇及某些稀土元素氧化物是制作超导材料的主要成分。
钨、钼、钛、铌、锆、铟、镓都是电子工业不可缺少的重要材料。
稀有金属钽以制造比容大，性能稳定的优质电容器，成为航天航空设备中的重要电子元件。
在钢铁工业中，稀有高熔点金属是冶炼优质钢的重要添加剂，少量稀土或钼、钒等加入钢中，都能大大改善钢的结构，从而大大提高其强度和耐冲击性能，故大量用于炼制各种低合金钢。
此外，在医疗、激光、超导、航海、农业等各个领域无不使用稀有金属及其化合物。
稀有金属的发现和应用虽然比较晚，但随着科学技术的高速发展，人们对稀有金属的认识日益深化，对其应用范围愈来愈拓宽，在国民经济及科学技术中的地位越来越重要。
2、国内资源现状
我国是稀有金属资源的大国，以重要的稀有金属战略储备资源钨、钼为例：
中国是世界上钨资源最丰富的国家，占全球储量的35%。
是世界上最大的钨生产国和出口国，同时也是最大的钨消费国家。
根据国际钨协公布的数据显示，全球钨消费总量中，中国消费占37%，欧洲约27%，美国15%，日本11%。
中国也是全球最大的钼资源国，根据美国地质勘探局的统计资料显示，中国的钼资源占全球钼资源储量的38.4%以及储量基础的43.7%。
目前我国以35%的钨资源向世界提供着80%至90%的供应，处于绝对的垄断地位，但却并没有获得垄断性的利润。
2003年，中国出口到美国的钨产品为2943吨，占美国钨供应量的1/3，出口额2560万美元。
同年，美国肯纳公司这一家企业利用进口钨品加工硬质合金的销售收入就达到20亿美元。
而这一年，我国整个钨行业销售收入仅为100亿人民币。
与此同时，我国出口了大量的钨资源，却又以六、七倍的价差来购买高端钨制品。
其主要原因就是我国钨产品结构不合理，出口过多，价格低廉。
以附加值低的初级产品出口为主。
我国在稀有金属资源的开发和利用方面有较为悠久的历史，但经过多年的开采，特别是随着国内外经济形势的变化，出口贸易上存在严重的问题，我国的资源损失严重，世界占有率大幅下降，资源形势十分严峻。
因此，随着稀有金属在国民经济各个领域用途的拓宽、用量的增加，各类资源将面临严峻的挑战。
面对这种险峻的形势，大力提高稀有金属制备的技术水平，发展先进的生产装备，有效降低生产成本是行之有效的对策。
3、稀有金属钨、钼、铼在国民经济中的重要作用
稀有金属钨、钼、铼广泛应用于航空、航天、电子、核工业、汽车、半导体照明、机械加工、高温设备、稀土冶炼、放射性医疗、薄膜技术、钢铁冶金、金刚石合成、有色金属加工模具等领域，在国民经济中有着至关重要的作用。
其材料和制品已经渗透到国民经济建设和社会生活的各个领域，支撑着一大批高新技术产业的发展，同时它对传统行业的更新换代也起着推波助澜的作用。
3.1对国防军工领域的作用
钨、钼、铼及其合金材料由于其优异的性能，在先进国防建设中占有十分重要的地位，如：
侵彻弹、集束炸弹、穿甲弹、射线武器屏蔽以及装甲材料等，大量使用钨合金高比重材料；难熔金属钨（钼）渗铜浸渗复合材料，广泛用作固体火箭发动机的燃气舵、护板、喉衬和紧固件等耐高温抗烧蚀部件；“高超音速飞行器”项目也采用了高性能钨渗铜和钼渗铜材料，作为抗烧蚀前缘等关键部位，用来抵抗超高速气动加热所产生的高温和冲刷烧蚀。
此外，高性能难熔金属变形加工制品和大尺寸难熔金属烧结制品在武器型号上也有广泛的应用和需求。
其他应用的方面还有卫星导航装置、精密仪表仪器、动平衡配重等。
3.2对电子行业的作用
钨、钼、铼等稀有金属材料一直是电子工业及电光源用的重要材料。
钼有良好的导电和高温性能，特别是与玻璃的热膨胀系数极其相近，广泛地用于制造灯泡中螺旋灯丝的芯线、引出线、挂钩、支架、边杆及其他部件，在电子管中做栅极和阳极支撑材料。
各种高纯难熔金属及其合金制成的靶材用于制造大规模集成电路芯片。
3.3对核工业的作用
钨及钨合金在核工业上有广泛应用。
钨是BCC结构，在固相温度范围内不发生同素异型转变。
在所有金属中，钨的熔点最高（3410℃），蒸气压最低（1.3×10-7Pa），热导性好，高温强度高，不形成氢化物，不与氘共沉积，是一种很好的高热流密度部件的保护材料。
目前纯钨制品已经广泛应用于热核聚变堆的挡板、护甲。
钨基高比重合金是以钨为基体加入少量镍、铁、铜等合金元素组成的合金，具有密度高（-18.5g/cm3）且可调、吸收高能射线能力强（比铅的射线吸收系数高1/3）等优异性能，因而广泛用作射线屏蔽防护材料和核屏蔽材料。
在核技术上的应用主要有：
检测集装箱系统的钨合金准直器；60Co及其他辐射的屏蔽钨合金容器；地质勘测屏蔽γ射线钨合金准直器；管道检测射线屏蔽钨合金准直器；工业探伤γ射线屏蔽钨合金准直器等。
3.4对医疗行业的作用
钨合金作为一种理想的辐射屏蔽材料，在肿瘤放射性治疗机和核医学成像的医学影像设备中大量使用。
CT和PET技术中都需要由钨合金薄片组成的准直器。
3.5对加工工业的作用
在真空炉和保护性气氛电炉中，难熔金属钨、钼、铼制品广泛用于发热体、隔热屏、固定件、底盘、导轨和舟皿。
大规格的钨、钼坩埚因为其高的耐腐蚀性能和耐高温性能而广泛地应用于表面涂层工业、单晶生产行业、金刚石和立方BN的生产中。
钼合金顶头用于无缝钢管穿管可比工具钢顶头提高穿制寿命十几倍到几十倍。
高温高强度钼合金作为等温锻造的模具在航空工业的钛合金、高温合金部件的加工上的应用，其他如作为有色金属的压铸模具等。
3.6对镀膜行业的作用
随电子信息行业的快速发展，稀有金属作为溅射靶材的应用呈直线上升。
溅射靶材是获得薄膜材料的基础，随着薄膜科学的飞速发展和薄膜技术的不断进步，靶材的研究也得到长足的发展。
溅射靶材的应用领域包括平面显示、半导体、磁记录存储、光记录存储、太阳能、机械、汽车、玻璃、装饰等行业。
在种类繁多的靶材中，大尺寸高纯Mo靶、WTi靶具有优异特性，广泛应用在平面显示、薄膜太阳能电池、半导体、医疗、机械加工以及固体润滑等方面。
4、稀有金属钨、钼、铼在重点领域及项目中的应用前景
目前钨、钼和铼除了在传统工业上的应用外，在LED、核电、核医疗、以及新能源等领域及重点项目上也有着广泛的应用前景。
4.1半导体照明领域
LED产业及LED半导体照明目前是全球范围内在未来几年重点发展的绿色产业，我们国家也先后起动了绿色照明工程，半导体照明工程，LED半导体照明技术和市场也逐步趋于成熟，为LED半导体照明发展提供了良好的动力。
钨钼产品在这个产业链中有着非常广泛的应用。
如LED照明用石英玻璃领域、LED外延芯片蓝宝石晶体生长炉用钨钼热场（钼屏和钨坩埚）、LED产业链中MOCVD设备热场（铼加热器、钨钼材等）、LED发光电极等。
图1蓝宝石晶体生长用钨、钼坩埚图2蓝宝石单晶生长炉用钼热场
图3MOCVD加热炉关键元件—纯铼加热丝
4.2核电领域
近年来中国、德国和美国等国家开始大规模建设第三代核电站。
最新一代的核电技术中，AP1000核电技术被认为是目前世界上最先进的核电技术。
AP1000最主要的优点是其采用最先进的屏蔽式主泵，具有高的惰性转动惯量，在无动力条件下时，能保持核反应堆冷却几小时，为处理预留反应时间。
与第二代核电相比，AP1000具有安全性高，成本低等优点，是核电的重要发展方向之一。
AP1000核电主泵是AP1000核电最核心的部件，主机泵飞轮的核心部件是大型钨基合金惯性轮。
蒸汽发生器
主泵
核反应堆
图4AP1000核电主泵位置图
4.3核聚变ITER项目
核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。
与不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一，因此ITER项目具有无限潜力。
ITER装置主要包括第一壁、偏滤器、包层、以及屏蔽部件、真空容器、磁场系统、加料与等离子体辅助加热系统等。
在该装置中需大量使用高性能钨、钼及其合金材料和制品。
图5ITER偏滤器（Divertor）外垂直靶（Outerverticaltarget）
由此可见，高性能稀有金属材料及制品已经渗透到国民经济建设和国防建设的各个领域，支撑着一大批高新技术产业的发展，同时它有力地推动了传统行业的更新换代。
二、稀有金属产业现状及产业规划
1、硬质合金
1.1产业现状及产业规划
目前我国硬质合金产品占到了世界产量的40%，市场流通量的30%，是全球硬质合金第一生产大国。
2010年产量为15136吨，销售收入150亿元。
2010年200家硬质合金企业的生产能力为3.56万吨，产能利用率为48.86%。
年产量在1000吨以上企业有3家，占国内总产量的60%以上。
国内硬质合金行业总体以中低档产品为主，而且大多数还只是烧结态产品，整体技术水平不高，高性能、高精度的高档硬质合金数控刀片等高档硬质合金制品仍需从国外进口。
目前国内硬质合金年销售总收入仅与以色列ISCAR公司硬质合金的销售收入相当。
硬质合金消耗了50%的钨资源，硬质合金行业的发展对“振兴钨业”意义重大。
可以说，硬质合金兴，钨业则兴；硬质合金强，钨业则强。
国内硬质合金行业要“以控制总量、淘汰落后、技术改造、企业重组为重点，推动产业结构调整和优化升级”为发展方向，高效利用钨资源，大力发展高附加值的深加工产品，提升产业竞争力。
表2国内硬质合金行业主要经营指标水平
序号
项目
2003年
2008年
增减幅度
1
产量，吨
13550
16500
22%
2
收入，亿元
42.5
113.65
168.44%
3
利润，亿元
2.35
5.51
134.24
4
年人均工资，元
12750
22675
77.84%
5
出口量，吨
1864.1
3924.8
110.55%
6
出口创汇，万美元
4846
22798.56
370.46%
7
行业固定资产，亿元
29.73
62.50
110.24%
8
资产总额，亿元
55.45
109.91
98.21%
表3国内硬质合金产品结构组成
序号
产品领域
2003年
2008年
增减幅度
1
切削类合金
3041.81
4364.05
43.47%
2
矿用类合金
2958.22
4743.27
58.89%
3
耐磨零件
5377.99
5292.66
-1.59%
4
硬质合金
深加工产品
1532.96
3227.46
110.53%
1.2国内外研究趋势
目前国内外在硬质合金领域研究的热点主要集中在一下几个方面：
1.2.1超细-纳米晶硬质合金制备技术
硬质合金通常晶粒度1-10μm，存在着较大的脆性、硬度和强度矛盾（即硬度高则强度低，强度高则硬度低）、加工软化等问题。
为了进一步提高硬质合金的力学性能，最佳途径是将其晶粒度细化，制备超细-纳米结构的合金材料。
表4硬质合金按晶粒度的分类
合金分类
纳米
超细
亚微米
细
中
粗
超粗
晶粒度
μm
＜0.2
0.2-0.5
0.5-0.8
0.8-1.3
1.3-2.5
2.5-6.0
＞6.0
超细-纳米合金制备的两个关键技术：
1）超细-纳米复合粉的获得
包括喷雾-转换、共沉淀、等离子体合成、溶胶-凝胶法、机械合金法等。
其
中喷雾-转换工艺已成为工业规模合成超细-纳米复合粉的成熟技术。
美国Nanodyne公司利用该工艺已生产小于50nm的WC-Co硬质合金复合粉末。
2）烧结过程中碳化钨晶粒长大的抑制
采用VC．Mo2C、Cr3C2、NbC、TaC、TiC等晶粒长大抑制剂以及控制烧结工艺，如温度、时间等。
开发放电等离子烧结（SparkPlasmaSintering，SPA）、微波烧结、快速热等静压新型烧结方法，现已可制得微观结构为0.2～0.5μm的超细-纳米硬质合金。
1.2.2梯度结构硬质合金制备技术
即利用成分或组织梯度达到性能梯度变化，从而赋予合金高硬度与高韧性。
梯度硬质台金的生产方法及种类有多种，包括复合硬质合金法、粉末分层压制法、金属熔体浸渍法、缺碳硬质合金渗碳处理法等。
1.2.3涂层硬质合金制备技术
1.2.4PIM技术
金属粉末注射成形（PIM）是将传统粉末冶金技术和塑性注射成形技术相结合而产生的一门金属零部件近净成形的新技术。
被誉为“21世纪最热门的成形技术”。
已成功用于生产硬质合金具、微形钻头、离心器、喷嘴、各种泵用零件、活塞、过滤器、各种体育用品、纺织机械用导线器、高尔夫球头、表带、表壳等制品。
从而大大扩大了硬质合金的应用范围。
1.3主要存在的问题
2、钨钼大型制件
2.1产业现状及产业规划
钨、钼具有高熔点、良好的热导性、优异的高温强度等特性，是一类重要的耐高温材料。
钨管、钨钼管、钨坩埚作为高温装备的核心部件，广泛应用于LED行业单晶生长、石英连熔炉、稀土冶炼和核废料处理等领域。
预计到2015年，大尺寸钨钼坩埚、钨管的需求约为4000吨。
表5产值、产能、产量、需求及进出口情况
国内
国际
年份
2000
2005
2009
2010
2015
2020
2000
2005
2009
2010
2015
2020
产值
0.4
0.6
1.9
2.7
11．7
27
0.16
0.30
0.37
1.02
3.48
3.9
产能
70
100
400
1000
2000
4800
200
400
500
1100
1900
3600
产量
60
80
300
1100
1800
4500
180
360
400
880
1800
3300
需求
65
90
310
500
1950
5000
170
340
380
950
1700
3430
进出口
-
-
-
500
1500
2000
100
320
500
650
900
2100
产值：
国内（亿元）、国际（亿美元），其他（万吨）
2.1.1产业现状
生产的钼钨坩埚、钨管的工艺主要有粉末冶金工艺、喷涂工艺、旋压工艺。
喷涂成形的钨管管坯发热体相对密度只达83%，影响使用；喷涂钨管的内部组织疏松，影响了制品的力学性能。
旋压法加工制备的钨管尺寸较小，无法满足生产大尺寸钨管的要求。
目前，只有粉末冶金工艺适合生产符合蓝宝石晶体生长、石英玻璃生产的大尺寸钨管。
能够规模生产烧结钨管、钨坩埚有中国、俄罗斯、奥地利，国内企业可以生产直径Ø300mm以下小规格产品，但是对于Ø400mm以上，甚至Ø500mm以上的大坩埚、钨管，生产工艺还不成熟，需要尽快解决大尺寸钨制品不易成形、烧结难致密、加工出现崩边裂纹等技术难题。
目前国内主要有安泰科技股份有限公司、北京天龙钨钼材料公司、西部金属材料股份有限公司、自贡硬质合金有限责任公司、株洲硬质合金集团有限公司钨钼事业部等企业在研发、生产大尺寸钨管、坩埚。
其中安泰科技依托技术、装备及资源优势，成功制造出直径Ø750mm钨管和直径Ø530mm钨坩埚，已成为世界产量最大的钨管、钨坩埚制造商。
国外Plansee、H.CStarck公司致力于稀有金属钨、钼制品的生产，是世界钨、钼制品的龙头企业。
Plansee公司研发出钼、钨等材料的高性能合金复合材料，用于高温炉制造、玻璃熔化电极、石英玻璃制造用熔化坩埚及其他部件。
2.1.2产业应用领域及规划
（1）钨钼制件应用于LED衬底用单晶生长
钨钼坩埚制品、大型保温钨管是蓝宝石单晶生长炉的核心部件，是LED产业链的上游产业需求的重要设备。
LED做为未来的光源革命，已经得到全世界的重视。
随着LED向民用照明推广，蓝宝石晶体作为LED芯片衬底材料必将有更大的市场需求。
同时，用于生产蓝宝石晶体的钨管和钨坩埚市场也将会炙手可热。
目前全球的蓝宝石单晶炉的数量应该在1300台左右，从下游的需求预计，2010年LEDTV市场渗透率达20.3%，至2014年渗透率可望达100%，且LED背光LCDTV的出货量于2014年增至2.6亿台。
亦即需要5000台蓝宝石单晶生长炉才能满足。
目前全球技术成熟度和产能结合的最好的长晶炉是产出单晶80kg重规格。
按照一台80kg炉内所需要的钨钼材及坩埚目前约800kg，十二期间全球蓝宝石单晶炉需要的大尺寸钨钼材市场需求不低于4000吨，如果加上LED在景观照明等方面的应用，预计需要钨钼产品在7000吨以上。
其中大尺寸钨钼坩埚、钨管的需求为3100吨。
如果十二五期间LED能够成熟进入民用照明领域，市场规模将更大，并且预计未来10年内都有非常稳定的市场需求。
（2）钨钼制件应用于石英玻璃生产
1991年，我国开始采用电熔连熔技术生产电光源石英玻璃管，钨管由于耐高温性能好、高温下不与石英原料反应，被作为电熔连熔炉的主要部件。
经过20年的创新提高，最大钨管直径由当时的Ø150mm增大到现在的Ø750mm，促进了连熔炉装备水平大幅度提高，已达到世界一流水平。
我国玻璃生产企业约30余家，各型号连熔炉300台，石英玻璃总产量3-4万吨。
预计2015年总需求可达10万吨。
以现在1台Ø500mm连熔炉年产200吨计算，还需要300台Ø500mm连熔炉。
到2015年，新需求钨管的重量达600吨，其中大尺寸钨管的需求为550吨。
2.2国内外研究趋势
大尺寸钨钼坩埚、钨管产品是未来石英玻璃生产、蓝宝石晶体生长用钨钼制品需求的发展趋势。
目标是规模化生产外径大于Ø600mm的钨管、外径大于Ø450mm的坩埚。
Plansee公司在2007年就成功生产出外径为Ø550mm的钨管，现在正在研发外径大于Ø800mm的钨管。
我国大尺寸钨管、钨坩埚产品的研发，可打破国外企业如Plansee公司对中国大尺寸钨钼制品市场的垄断；将是我国纯钨制品向附加值高、大尺寸产品领域发展的标志，也将大大推动我国蓝宝石晶体生长行业和石英连熔行业发展，具有十分重要的意义。
2.3主要存在的问题
（1）生产制造过程中，成品率偏低，工艺粗放，生产成本高。
（2）产品寿命较低，使用情况不稳定。
国内大尺寸钨钼坩埚、钨管使用寿命不稳定，使用寿命从3个月到2年。
产品质量需要稳定，使用规范需进一步明确。
（3）工艺重复性和输出性不高，目前无法满足大批量订货和控制的需要。
与国外同行相比，我国的大尺寸钨钼制件在产业化生产上仍存在一定差距。
在十二五期间，需要依托装备优势，以大型国有企业为中心，投入产业配套资金，重点提升技术的稳定性；通过与使用单位的密切合作，尽快达到国外同等水平，为下游产业链的发展做出贡献。
3、大规格钼电极
3.1产业现状及产业规划
钼电极因其高温强度高、高温抗氧化性能好，使用寿命长，抗腐蚀及不易使玻璃着色等优点而广泛应用于日用玻璃、光学玻璃、保温材料、玻璃纤维、稀土工业等领域。
目前国内生产钼电极的厂家较多，但生产水平参差不齐。
国内生产钼电极的
厂家个体户较多，主要集中在洛阳一些地区，受生产设备的限制，以生产直径70mm以内的产品为主。
随着玻璃行业的发展，加速了大规格钼电极的研究步伐，目前国内外的直径在100mm以上的钼电极主要由Plansee、H.C.Stark等公司生产，为了打破国外公司对此种产品的垄断地位，迫切需要大规格钼电极的国产化。
3.2、国内外发展趋势
国外Plansee及H.C.Stark主要采用大吨位快锻机生产钼电极，国内由于生产设备的限制，严重阻碍了大规格钼电极生产技术的发展。
为了打破国外
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